宋恩哲，陰美梁，孫軍，王亞芳，王晶博

1．哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001 2．派芬自控（上海）股份有限公司工程實驗部上海200000

工程機械通用液壓行走系統(tǒng)三變量實驗臺設計

宋恩哲1，陰美梁1，孫軍1，王亞芳1，王晶博2

1．哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001 2．派芬自控（上海）股份有限公司工程實驗部上海200000

為研究工程機械中泵排量和馬達排量及柴油機供油量三者之間的最優(yōu)匹配，以實際工程機械液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)為原型，對真實液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)進行適當簡化，進而提出實驗臺建設方案，并根據(jù)實際要求就主要設備的選型進行說明和計算。在此基礎上建立了工程機械通用液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)實驗臺，并進行了空載、變負荷、變排量等不同工況下的實驗驗證，實驗結果符合設計要求。本實驗臺的建設可以為各種工程機械的液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)提供實驗研究條件。

工程機械；液壓；行走系統(tǒng)；選型計算；校核實驗

工程機械的行走動力驅(qū)動系統(tǒng)是工程機械的重要部分，行走動力驅(qū)動系統(tǒng)需要及時響應大扭矩負載的頻繁變化，并且要求其有較高的效率和較長的壽命。在變調(diào)速、差速及反向傳輸動力等方面需要具有良好的能力。目前，各種工程機械行走動力驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法是控制泵的排量，馬達大部分選用定量馬達，即便選用變量馬達也只是控制馬達在最大排量或最小排量2種工作情況。而柴油機的控制并沒有良好匹配泵馬達液壓系統(tǒng)，一直處在較大供油量狀態(tài)，沒有充分利用柴油機的功率，柴油機的經(jīng)濟性差，整個裝置的效率低；液壓系統(tǒng)壓力波動大，工作效率低，液壓件的使用壽命短。為了解決以上問題，通過研究柴油機與液壓系統(tǒng)的匹配，尋求柴油機供油量、泵排量、馬達排量三者之間的最優(yōu)控制策略，設計了一種工程機械通用液壓行走動力驅(qū)動的實驗臺［1?3］。

1 實驗臺設計方案

1．1 總體要求

在工程機械的行走動力驅(qū)動系統(tǒng)中存在2種模式：一種是以履帶車為代表的，通過控制左右兩側的馬達速度來實現(xiàn)直線行走和轉向，這需要有2個相對獨立的液壓系統(tǒng)；還有一種是以平板車為代表的，并不需要兩側車輪差速來實現(xiàn)轉向，而是需要兩側車輪的轉速保持一致以實現(xiàn)直線行走，這樣就需要有一個整體的液壓系統(tǒng)為兩側馬達一起供油，以保證兩側轉速嚴格一致。

本實驗臺的目的是結合實際情況和實驗條件，在真實反映工程機械行走系統(tǒng)的條件下，為了研究的方便和節(jié)約成本［4］，盡可能地簡化系統(tǒng)；能夠改變負載以模擬工程機械遇到的不同工況，并能實現(xiàn)自動加載且具有較高靈活性；為了尋求柴油機供油量、泵排量、馬達排量三者之間的最優(yōu)匹配，能實時監(jiān)測實驗臺上所需要的各種數(shù)據(jù)，并可以對某些參數(shù)進行在線修改；為了能涵蓋工程機械通用的液壓行走系統(tǒng)，能進行單回路和雙回路的切換。

1．2 實驗臺構建方案

工程機械行走系統(tǒng)復雜，為了便于研究，行走驅(qū)動系統(tǒng)主要部件簡化為1個柴油機，2個變量泵，2個變量馬達，2個測功機。圖1為實驗臺原理圖，通過2個回路之間的2個閥可以控制2個液壓回路的聯(lián)通或關閉。當閥1、2全部關閉時，1個泵和1個馬達成為一個獨立的回路，這樣整個系統(tǒng)有2個獨立的回路，用來模擬以履帶式工程機械為代表的行走驅(qū)動系統(tǒng)；當閥1、2全部開啟時，2個泵聯(lián)合為2個馬達供油，整個系統(tǒng)成為一個大的回路，2個馬達的高、低壓側壓力全部一致，這樣的結構用來模擬以平板車為代表的行走驅(qū)動系統(tǒng)［5］。

圖1 實驗臺架原理

2 實驗臺主要設備選型

在此可以根據(jù)上海派芬有限公司給出的實際情況提出以下的設計要求：轉速可達4 000 r／min以上，最高可達5 000 r／min；負載扭矩在120 N·m時，馬達轉速可達3 000 r／min；雙回路同時工作時，單個回路最大輸出扭矩可達210 N·m。

2．1 馬達的選型計算

選擇sauer danfoss公司的51系列斜軸變量馬達作為馬達的選型庫。

當負載扭矩為210 N·m時，驗證系統(tǒng)的壓差和馬達的轉速在合理的范圍，即系統(tǒng)的最大壓力小于馬達的最大相對壓力48 MPa，且馬達轉速應滿足系統(tǒng)最高轉速需求［6］。根據(jù)51系列斜軸馬達參數(shù)表選取型號為060（排量范圍12～60 cm3、額定流量216 L／min、最大流量264 L／min、最大排量和最小排量處額定速度分別為速度3 600r／min和5 600 r／min）的馬達，根據(jù)公式算出：

式中：M為馬達輸出扭矩，N·m；V為馬達排量，mL／r；ΔP為液壓系統(tǒng)高壓側與低壓側的壓差，MPa；η為馬達的機械效率。

考慮到波動載荷液壓系統(tǒng)最高工作壓力應為Pmax的1．8倍［7］，由ΔP推算出系統(tǒng)最高工作壓力為Pmax＝1．8×（ΔP＋30）＝46．188 MPa＜48 MPa。

型號060的馬達最小排量處額定轉速5 600 r／min，可滿足輕載4 000 r／min左右的要求。

2．2 泵的選型計算

為了與馬達匹配和選型方便，泵也選用sauer danfoss公司的H1系列閉式軸向柱塞泵。由馬達參數(shù)可知，馬達最大流量是264 L／min，泵的流量應能夠滿足馬達最大流量，并且因為之前計算系統(tǒng)最高壓力在46 MPa左右，并且馬達的排量在12～60 mL，考慮轉速情況和液壓系統(tǒng)損失后，根據(jù)H1系列軸向柱塞泵參數(shù)表選擇型號為H1P078（排量78 cm3、轉速范圍500～4 000 r／min、額定轉速3 500 r／min、額定壓力40 MPa、最高壓力45 MPa、理論流量273 L／min）的泵，進行如下驗證。

按扭矩120 N·m時匹配系統(tǒng)效率最高點壓力，算出此時馬達的排量大小：

式中：Me為負載扭矩，N·m。

選取泵在適合的轉速，確定泵的輸出流量［8］。本實驗臺、液壓泵與發(fā)動機同軸連接，泵和發(fā)動機轉速一致。通常情況下柴油機標定轉速在2 000～3 000 r／min，工程機械用柴油機轉速普遍低于車用柴油機［9］，假定負載120 N·m時滿足馬達轉速3 000 r／min的最低柴油機轉速在2000 r／min。

根據(jù)泵輸出流量計算公式，驗證負載120 N·m時，馬達的轉速是否可達3000 r／min。

式中：Qe為泵的輸出流量，L／min；np為泵的轉速，r／min；ηpv為泵的容積效率；Vp為泵的排量，mL／r。

由以上驗證計算可以看出，即便在液壓系統(tǒng)有損失的情況下，馬達轉速也可以滿足設計要求，所選用sauer danfoss生產(chǎn)的型號為H1P078的泵符合設計要求。

2．3 發(fā)動機的選型計算

根據(jù)馬達輸出功率公式Pe＝Men／9 550可估算出2回路同時工作時馬達的最大輸出功率總和為Pe＝66 kW。

考慮整個液壓系統(tǒng)的效率和功率余量，選擇額定功率在140 kW左右的柴油機。根據(jù)玉柴YC4E系列發(fā)動機的主要機型和參數(shù)，選取型號為E2100（標定功率132 kW、標定轉速2 500 r／min、最大扭矩630 N·m、最高空載轉速2 800 r／min、全負荷最低油耗205 g／（kW·h）、最大扭矩點轉速1600 r／min）的發(fā)動機滿足系統(tǒng)要求。

2．4測功機的選型計算

根據(jù)馬達在低轉速承受大扭矩的特點，選擇一款高速電力測功機。經(jīng)過對比篩選并兼顧單泵單馬達研究情況，最后選擇型號為AC120G的高速電力測功機，其額定轉速3000r／min、最高轉速9 000 r／min、額定功率120 kW、額定扭矩380 N·m。

3 實驗驗證

本實驗臺架主要可以通過3個磁電式轉速傳感器監(jiān)測柴油機和2個變量泵的實時轉速、通過6個壓力傳感器分別監(jiān)測2個變量泵的進出口和補油壓力、通過2個溫度傳感器分別測量柴油機水溫和液壓油溫度，采集到這些傳感器信號后通過TTC200控制器對這些信號進行處理，然后傳送給STC顯示器，這樣就可以通過圖2中的實驗臺監(jiān)測控制柜左上的顯示器顯示監(jiān)測參數(shù)［10］。

圖2 液壓系統(tǒng)實驗臺

安裝實驗臺之前，先在實驗臺上對玉柴柴油機進行標定試驗，確定柴油機各轉速下可輸出最大功率和最大扭矩。經(jīng)過標定此型號柴油機功率略高于說明書上數(shù)據(jù)。

之后在組建好的實驗臺架（圖2）和實驗臺監(jiān)測控制柜（圖3）上進行校核和監(jiān)測控制。首先進行空載下標定轉速實驗，在泵排量和馬達排量開到最大的情況下測馬達轉速隨柴油機轉速的變化，在此選兩馬達中偏差較大的數(shù)據(jù)進行說明。其結果如圖4所示，相差最大在7%以內(nèi)。然后在柴油機1 000 r／min時測馬達轉速隨馬達排量增加的變化，其結果如圖5所示，其計算轉速與實測轉速最大相差在10%以內(nèi)。

圖3 實驗臺監(jiān)測控制柜

圖4 實驗臺監(jiān)測控制柜

圖5 馬達轉速隨排量變化

由圖4、5可以看出空載時試驗數(shù)據(jù)與理論計算相符合，誤差低。然后在各轉速下對系統(tǒng)進行加載試驗，測得實驗數(shù)據(jù)。在此以柴油機1 600 r／min時的實驗數(shù)據(jù)進行說明。圖6是柴油機1 600 r／min左右時馬達輸出功率和左右泵的輸出功率以及左右馬達轉速曲線。在加載過程中，液壓系統(tǒng)壓力差從4 MPa增加到23 MPa左右。在1 600 r／min時泵端最大輸出功率之和在100 kW左右，泵端最大輸出扭矩之和在598 N·m左右，都在柴油機1 600 r時的標定參數(shù)范圍之內(nèi)，并有10%左右余量。馬達端最大輸出功率之和在63 kW左右，整個液壓系統(tǒng)效率在60%左右。

圖6 柴油機1 600 r時加載曲線

圖7 各轉速最大扭矩負載試驗

為測量柴油機各轉速下系統(tǒng)的最大輸出功率和扭矩，根據(jù)之前的柴油機標定試驗，進行了各轉速下最大扭矩負載試驗，如圖7所示液壓系統(tǒng)壓力差一直在23 MPa左右。在各轉速下最大扭矩時，泵端輸出功率之和接近之前柴油機標定功率。在1 000～2 400 r／min時，各轉速下各回路負載扭矩均可達到或接近210 N·m。

在柴油機2 000 r／min、負載120 N·m時，調(diào)節(jié)一路馬達排量到38mL／r時，馬達轉速達到3 000 r／min，此時泵端輸出功率為65 kW，馬達輸出功率為37 kW，液壓系統(tǒng)壓差為23 MPa。

通過在各種工況下的實驗數(shù)據(jù)與理論分析的比對，驗證了此實驗臺在各種條件下都較好地完成了設計預想，可以為柴油機、泵、馬達三變量的匹配研究提供了良好的實驗條件。

4 結束語

針對工程機械行走系統(tǒng)的問題，提出一種新的泵、馬達和柴油機聯(lián)合控制的策略。為了便于實驗驗證這種控制方法建立了本實驗臺。本實驗臺經(jīng)過設備選型計算和實驗驗證，證明是一個可控可檢測的實驗臺。本實驗臺自動化程度高，可對各種排量和供油量進行自動控制；通用性強，不但可以模擬單回路行走驅(qū)動系統(tǒng)，也可以模擬雙回路行走驅(qū)動系統(tǒng)，涵蓋了所有工程機械全液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)。本實驗臺的建立為泵、馬達和柴油機三種變量之間匹配的研究提供了實驗條件。

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Design on three?variable test bench used for universal hydraulic traveling system of engineering machinery

SONG Enzhe1，YIN Meiliang1，SUN Jun1，WANG Yafang1，WANG Jingbo2

1．College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2．Engineering Laboratory，Pal－Fin Automatic Control Technology（Shanghai）Co．，Ltd．，Shanghai 200000，China

In order to research the optimum match among the pump displacement，motor displacement and the oil sup?ply volume of a diesel engine in engineering machinery，with the actual hydraulic travelling driving system of engi?neering machinery as a prototype，the real hydraulic travelling driving system was simplified．Subsequently，the test bench construction scheme was proposed，and in addition，according to actual requirements，the description and cal?culation were carried out for the selection of equipment model．On the basis of this，a test bench for the universal hy?draulic travelling driving system of engineering machinery was established．Besides，under such different behaviors as empty load，variable load and variable displacement，experiments were conducted for demonstration．The test results conform to the design requirements．The construction of the test bench may provide experimental research conditions for the hydraulic travelling driving systems of various engineering machineries．

engineering machinery；hydraulic；traveling system；calculation on model selection；recheck experiment

TK42

A

1009?671X（2014）01?0080?05

10．3969／j．issn．1009?671X．201304012

2013?04?01．

日期：2013?12?04．

國家自然科學基金資助項目（51279037）；新世紀優(yōu)秀人才支持計劃（NECT?11?0826）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目（HEUCF110301）．

宋恩哲（1973?），男，研究員．

宋恩哲，E?mail：sez2005＠sina．com．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20130704．1124．001．html